Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ)

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 6Следующая ⇒

Самый первый сканирующий туннельный микроскоп был создан сотрудниками лаборатории фирмы IBM Г. Биннингом и Г. Рорером. Принцип его действия основан на туннельном эффекте, позволяющем наблюдать и контролировать положение отдельных атомов, т.е. работать с точностью до нескольких ангстрем ( = , которая на сегодняшний день является максимальной для всех существующих научных и технических методик. Каковы пределы возможностей исследовательской технологической аппаратуры?

Главным элементом сканирующих туннельных микроскопов является очень тонкий металлический зонд (щуп или игла), двигающийся вдоль поверхности. Между зондом и поверхностью приложено электрическое напряжение, в результате чего возникает туннельный ток, величина которого позволяет фиксировать неоднородности или иные особенности исследуемой поверхности. При этом зонд должен находиться на расстоянии 1 мкм ( от образца, что является условием возникновения и поддержания туннельного тока (при более малых расстояниях возникает сильный электрический ток обычного типа, а при больших – туннельный ток становится исчезающе малым). Положение зонда определяется некоторым фиксированным значением туннельного тока. Сканируя поверхность, подобно лучу в электронной трубке телевизора, исследователь получает высокоточную картину состояния поверхности. При идеальной «остроте» зонда, когда на его поверхности будет находиться один-единственный атом, точность описания будет соответствовать отдельным атомам. Небольшие изменения величины туннельного тока могут означать изменение ориентации атома на поверхности.

В реальных условиях исследователи, конечно, не могут пользоваться столь тонкими атомарными зондами, а применяют пьезоэлементы из специальной керамики, в которой изменения приложенного электрического напряжения вызывают механическое сжатие. Технические проблемы работы с СТМ обусловлены тем, что движение зонда вдоль поверхности должно регистрироваться и контролироваться с очень высокой атомарной точностью.

3.5 Атомарно-силовой микроскоп (АСМ) [2]

В атомарно-силовом микроскопе используются измерения межатомарных сил. В АСМ зонд прикреплён к концу плоской пружины (кантилевера), и его положение определяется величиной межатомных сил, возникающих между остриём зонда и атомами поверхности. Таким образом, в этом приборе измеряемой информативной физической величиной выступают непосредственно силы взаимодействия между атомами, величина которых определяется «шероховатостью» конкретного участка поверхности в точке измерения. Эти силы являются «отталкивающими» по характеру взаимодействия, а их величина может быть выражена, в привычных нам единицах силы, т.е. ньютонах (естественно в абсолютном значении эти силы соответствуют лишь наноньютонам). В АСМ поверхность сканируется зондом с тщательной регистрацией положения и контролем расстояния между зондом и образцом, после чего полученная информация переводится в изображение.

С какой точностью можно регистрировать расстояние зонд-поверхность в указанном устройстве? Поскольку речь фактически идёт об экспериментальном измерении положения кантилевера, мы можем использовать для измерения оптический лазер. Величина межатомных сил, возникающих между остриём зонда и атомами конкретного участка «шероховатой» поверхности, соответствует степени изгиба кантилевера, которую можно измерить с высокой точностью, регистрируя отражённый кантилевером лазерный луч при помощи обычного оптического детектора (фотодиод) в соответствии с рисунком 3.4.

АСМ позволяет получить изображение поверхности с очень высокой точностью, вплоть до ангстрем, превышающей точность сканирующих туннельных микро-скопов. Это объясняется тем, что в АСМ нет ограничений на близость острия зонда к исследуемой поверхности, так как АСМ применяют для изучения материалов-диэлектриков, в которых токи не возникают. Изобретение АСМ стало очень важной вехой в изучении атомарной структуры непроводящих материалов вообще. Кроме того, точность АСМ может быть повышена за счёт улучшений характеристик материалов кантилевера. Возникающие в кантилевере слабые упругие напряжения регистрируются с достаточно высокой точностью (около 1 нм), что соответствует атомарному уровню разрешения для структуры. Информация о поверхности проводящих материалов, получаемая с помощью АСМ, может рассматриваться как дополнительная по отношению к результатам измерений сканирующим туннельным зондовым микроскопом, что создаёт дополнительные возможности для анализа и сравнения данных.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒